Pregúntele a Ethan No. 93: la manzana de Newton al azar
Si combina todos los movimientos aleatorios de las moléculas internas, ¿qué tan lejos y qué tan rápido se moverá el sujeto?
Millones vieron caer manzanas, y solo Newton preguntó por qué.
- Bernard Baruch
Uno de los mayores placeres de un científico que escribe sobre temas favoritos para todos los interesados es que de vez en cuando te encuentras con una persona que ha estado interesada en una pregunta para toda su vida a la que no ha recibido respuesta. Si tienes este sentimiento, puedes enviarme tu pregunta, y tal vez seas tan afortunado como Mike, quien pregunta:Esta pregunta me ha molestado desde la infancia. Si todo el movimiento térmico aleatorio de las moléculas en la manzana toma la misma dirección, ¿qué tan lejos viajará la manzana? ¿Y luego qué pasará?Si piensa en los niveles microscópicos de los objetos grandes, ¿qué imagina?
Manzanas manchadas
Células de manzana sin pintar.Quizás pueda imaginarse que un nivel celular aumentó cientos de veces más de lo que podemos ver a través de un microscopio. Pero puedes ir aún más profundo.Cada célula consta de orgánulos, cada orgánulo tiene su propio conjunto único de configuraciones moleculares que le dan estructura y función, y cada molécula en sí misma consta de partículas más pequeñas: átomos, electrones, núcleos e incluso más pequeños, quarks y gluones.Tal vez te imaginas la más pequeña de las partículas de materia y piensas en cómo se mueven allí en una manzana.
Si se tratara de una imagen exacta de una manzana, para responder a la pregunta de Mike sería necesario medir la temperatura de la manzana, por ejemplo, la temperatura ambiente de 298 K, para calcular la masa de partículas, por ejemplo, una molécula de azúcar de 342.3 a. E. m., Y use la teoría cinética molecular para averiguar qué tan rápido se mueven las moléculas en promedio.Resultará algo así como 147 m / s, o 529 km / h. Esto es tres veces más rápido que una manzana volando de un cañón de manzanas.
Si logras atrapar toda la energía térmica de los movimientos de estos átomos en la manzana, y con un 100% de eficiencia la traduces a la energía cinética de la manzana, entonces será así.Pero con tal razonamiento, hay dos problemas, o más bien, dos razones por las cuales una manzana de tal cosa nunca se tirará.1) La molesta ley de conservación del impulso. El movimiento térmico es aleatorio, lo que significa que por cada átomo o molécula que se mueve en una dirección, hay otro átomo o molécula que se mueve en la dirección opuesta. Por supuesto, los componentes individuales pueden moverse rápidamente, pero en promedio el impulso de una manzana es cero. Del mismo modo, una manzana puede consistir en 10 27 protones y 10 27electrones, pero en promedio no se observan fuerzas eléctricas gigantes, ya que su carga total es equilibrada e igual a cero. Por la misma razón, es imposible tomar una configuración aleatoria de energía y convertirla en una cinética dirigida sin alguna compensación, y sin un impulso igual y opuesto dirigido que se mueva en la dirección opuesta a la manzana.Si esta fuera la única restricción, podría haber sido burlado.Sería posible enviar una pequeña parte de la masa de manzana en una dirección con la ayuda de un rebote: una masa pequeña rebota en una grande, que rebota en una aún más grande, y así sucesivamente.
Este método, por cierto, es muy importante para la física nuclear y funciona en un fenómeno conocido como el efecto Mossbauer o resonancia gamma nuclear. Hace que los núcleos cristalinos sean estacionarios, lo que conduce a un pequeño cambio en el impulso de todo el cristal, lo que hace que las partículas individuales (fotones) se irradien con enormes energías / velocidades. El efecto inverso de Mossbauer podría permitir que la manzana vuele relativamente despacio (147 m / s), mientras que una pequeña parte de ella volará en la otra dirección con un tremendo impulso.Pero hay una segunda razón por la que esto no sucederá, y es muy importante.
2) Estos átomos no son libres, sino que se unen en moléculas, que se unen principalmente en grandes estructuras sólidas. Anteriormente, imaginamos átomos rebotando entre sí, y describe bien los líquidos, e incluso mejor, gases y plasma. Pero no podemos aplicar el mismo enfoque a los sólidos. Obtenemos movimiento vibratorio, rotacional, pero no cinético libre y rápido.
Una gran cantidad de energía se almacena en los enlaces de un sólido, pero la energía térmica presente, que hace que los átomos vibren, no es suficiente para romper estos enlaces, y por lo tanto, la manzana permanece en un estado sólido.Para romper estos enlaces, necesita una gran cantidad de energía térmica, que no puede lograr a menos que seque la manzana, ya que una temperatura superior a 373 K simplemente hervirá toda el agua en su interior.
Si entendemos que en nuestra manzana no hay moléculas separadas, libres de agua, azúcar y otras moléculas, pero solo hay estructuras grandes (como las células), encontraremos que los movimientos individuales "aleatorios" son en realidad mucho más pequeños. Incluso si asumimos (y esto será una exageración enorme) que la manzana está dividida en partículas que se mueven libremente con una masa de nanogramos, encontramos que su movimiento térmico es extremadamente pequeño: las velocidades son de aproximadamente 100 micras por segundo.En otras palabras, dado que la manzana es sólida y las moléculas en su interior están conectadas, este movimiento térmico no le permitirá alcanzar una velocidad notable. Incluso si intenta alcanzar este estado, como resultado obtendrá una manzana tibia que no se mueve a ninguna parte.
Y aunque esta puede no ser la respuesta que estabas esperando, tener en cuenta las leyes de la física nos ayuda a estudiar la naturaleza de la materia y aprender un poco más sobre cómo funciona el universo. Envíame tus preguntas y sugerencias para los siguientes artículos.Source: https://habr.com/ru/post/es397629/
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